炭化ケイ素（SiC）概述
炭化ケイ素（SiC）は、炭素とケイ素から構成される化合物半導体であり、ワイドバンドギャップ（WBG）材料として注目されています。その優れた硬度、熱伝導性、電気的特性により、自動車、再生可能エネルギー、航空宇宙、電子機器など幅広い分野で利用されています。
炭化ケイ素の結晶構造
SiCの特徴は、多形（ポリタイプ）と呼ばれる多様な結晶構造を持つことです。同じ化学式であっても、積層順序の違いによって物理・電気的特性が変化します。代表的なポリタイプが「4H-SiC」と「6H-SiC」です。
炭化ケイ素の種類
200種類以上のポリタイプが存在しますが、産業的に重要なのは以下です：
- 3C-SiC：立方晶。研究開発用。
- 4H-SiC：六方晶。現在のパワー半導体で主流。
- 6H-SiC：六方晶。初期研究や高周波用途。
4H-SiCと6H-SiCの違い
1. 結晶構造
両者は積層順序の違いにより分類されます：
- 4H-SiC：ABCBの積層構造。c軸方向の対称性が高く、高電子移動度を持つ。
- 6H-SiC：ABCACBの積層構造。対称性が低く、電子移動度は4Hより低い。
2. 物理特性
| 特性 | 4H-SiC | 6H-SiC |
|---|---|---|
| バンドギャップ (eV) | 3.26 | 3.02 |
| 熱伝導率 (W/mK) | 370–490 | 370–490 |
| モース硬度 | 9.0 | 9.0 |
3. 電気特性
| 特性 | 4H-SiC | 6H-SiC |
|---|---|---|
| 電子移動度 (cm²/Vs) | ~1000 | ~400–600 |
| 絶縁破壊電界 (MV/cm) | 2.5–3.0 | 2.0–2.5 |
| 飽和ドリフト速度 (×10⁷ cm/s) | 2.0 | 1.5–1.8 |
応用分野
- 4H-SiC：EV用インバータ、再生可能エネルギー用パワーMOSFET、ショットキーダイオード、航空宇宙。
- 6H-SiC：RFデバイス、マイクロ波アンプ、センサー素子。
4H-SiCと6H-SiCの比較まとめ
4H-SiCはパワー半導体の分野で主流であり、大口径ウェハの量産が進んでいます。一方6H-SiCは高周波・センサー領域にニッチ用途として残っています。産業的には4H-SiCがデファクトスタンダードです。
結論
4H-SiCと6H-SiCは同じSiCでありながら、結晶構造の違いにより性能と応用分野が異なります。4H-SiCは高効率パワーデバイスに不可欠、6H-SiCは特定のRF分野で活用され続けると予測されます。
よくある質問（FAQ）
- なぜ4H-SiCが主流なのですか？
高電子移動度と高電界耐性を兼ね備え、パワー半導体に最適だからです。 - 6H-SiCは今でも使われていますか？
量産パワーデバイスではほとんど使われませんが、マイクロ波やセンサー用途では研究開発が続いています。 - SiCの他のポリタイプは？
3C-SiC（立方晶）などがありますが、主に研究段階です。
